量子“足球場(chǎng)”上的“前衛(wèi)”

■致敬國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者

他是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的著名科學(xué)家，取得了多項(xiàng)引領(lǐng)性的重要科學(xué)突破。他率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)，在國(guó)際上產(chǎn)生重大學(xué)術(shù)影響；在異質(zhì)結(jié)體系中發(fā)現(xiàn)界面增強(qiáng)的高溫超導(dǎo)電性，開(kāi)啟了國(guó)際高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的全新研究方向。

“一個(gè)人能走多遠(yuǎn)？他的學(xué)術(shù)大廈能建成兩層樓、五十層樓還是數(shù)百層的樓？這很大程度取決于他基礎(chǔ)知識(shí)所筑就的地基?！弊鳛槭讉€(gè)獲得奧利弗·巴克利獎(jiǎng)、菲列茲·倫敦獎(jiǎng)的中國(guó)籍科學(xué)家，薛其坤兩次在諾貝爾論壇作特邀報(bào)告。

奧利弗·巴克利獎(jiǎng)是國(guó)際凝聚態(tài)物理最高獎(jiǎng)，菲列茲·倫敦獎(jiǎng)是國(guó)際低溫物理最高獎(jiǎng)，為何薛其坤能獲得這兩項(xiàng)大獎(jiǎng)？正是由于薛其坤帶隊(duì)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，取得了量子反?；魻栃?yīng)和界面高溫超導(dǎo)等國(guó)際引領(lǐng)性重大科學(xué)突破。

6月24日，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤站上領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)，獲頒2023年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

“國(guó)家的富強(qiáng)給科學(xué)家攀登科學(xué)高峰、沖擊世界科學(xué)問(wèn)題，提供了強(qiáng)大支撐和良好條件?！毖ζ淅びH身感受到，國(guó)家的改革開(kāi)放等好政策，為他和一大批科學(xué)家創(chuàng)造了實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的機(jī)會(huì)。

憑科研“金剛鉆”勇闖“無(wú)人區(qū)”

如何讓一個(gè)運(yùn)動(dòng)員，同時(shí)擁有短跑運(yùn)動(dòng)員的速度、籃球運(yùn)動(dòng)員的高度和體操運(yùn)動(dòng)員的靈巧？在實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的過(guò)程中，薛其坤團(tuán)隊(duì)就遇到了類似難題，因?yàn)樗麄円苽涑龃判缘?、拓?fù)涞?、體絕緣的高質(zhì)量材料。

這種材料將成為勇攀凝聚態(tài)物理科研高峰的“登山杖”。從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，一系列量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)啟了拓?fù)淞孔游飸B(tài)這一新研究領(lǐng)域，為發(fā)展低能耗電子器件指明了新方向。然而20多年來(lái)，人們一直沒(méi)能在真實(shí)材料中，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。

面對(duì)眾多挑戰(zhàn)，薛其坤在2002年，帶隊(duì)將分子束外延、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜等多種互補(bǔ)的精密實(shí)驗(yàn)手段，創(chuàng)新地互聯(lián)成一個(gè)超高真空系統(tǒng)。該系統(tǒng)在量子材料原子尺度可控制備和表征方面，提供了國(guó)際通用的強(qiáng)大實(shí)驗(yàn)技術(shù)，現(xiàn)已被國(guó)際上近百家研究組采用。

“物理學(xué)科發(fā)展至今，已很難在理論層面取得重大突破。”薛其坤認(rèn)為，在科研競(jìng)爭(zhēng)中，要想跑贏很多更聰明、更勤奮的同行，搶先攬下實(shí)驗(yàn)層面的“瓷器活”，需要潛心打好科學(xué)研究?jī)x器這把“金剛鉆”。

清華大學(xué)物理系副教授馮硝曾是薛其坤的博士生，在參與高溫量子反?；魻栃?yīng)課題攻關(guān)時(shí)，她將脈沖激光沉積技術(shù)與分子束外延設(shè)備結(jié)合，擴(kuò)展了可探索的材料體系。

憑借超分子束外延—掃描隧道顯微鏡—角分辨光電子能譜超高真空聯(lián)合系統(tǒng)這把“金剛鉆”，薛其坤團(tuán)隊(duì)可在原子尺度上精確控制薄膜生長(zhǎng)，還能觀測(cè)薄膜的生長(zhǎng)形貌、缺陷和電子結(jié)構(gòu)等。他們做出了高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體薄膜。從2009年起，薛其坤團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、斯坦福大學(xué)的專家，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，對(duì)量子反常霍爾效應(yīng)進(jìn)行艱難的實(shí)驗(yàn)攻關(guān)。

團(tuán)隊(duì)20多位研究生努力4年多，制備出1000多個(gè)樣品。歷經(jīng)無(wú)數(shù)次失敗、改進(jìn)、創(chuàng)新，2012年底，薛其坤團(tuán)隊(duì)在世界上首次于實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)。

這是當(dāng)時(shí)已知的量子霍爾效應(yīng)家族成員中，最后一個(gè)被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的，也是唯一一個(gè)在中國(guó)發(fā)現(xiàn)的。這一研究成果有可能為未來(lái)信息技術(shù)革命開(kāi)辟新賽道。如將量子反常霍爾態(tài)和超導(dǎo)態(tài)結(jié)合，所獲得的量子態(tài)，可解決量子計(jì)算研究中的關(guān)鍵問(wèn)題，有可能使科幻電影中的超高算力計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)。

努力用一個(gè)突破點(diǎn)打開(kāi)物理世界的“新天地”

薛其坤在年輕時(shí)喜歡踢足球。在他看來(lái)，踢足球和做物理學(xué)研究一樣，都需要有全局思維，找到戰(zhàn)略突破點(diǎn)。

“要解決物理學(xué)的重大科學(xué)問(wèn)題，就需要了解物理學(xué)的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)，在洞察整體形勢(shì)以及自身研究?jī)?yōu)勢(shì)后，才能把好方向、精準(zhǔn)出擊?！毖ζ淅⒔缑娓邷爻瑢?dǎo)、量子反?；魻栃?yīng)等，作為團(tuán)隊(duì)持續(xù)多年的主攻方向。

自1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體以來(lái)，人們還沒(méi)發(fā)現(xiàn)常壓下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)附近的新超導(dǎo)體系。按以往的理論和實(shí)驗(yàn)，當(dāng)超導(dǎo)材料變得很薄時(shí)，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一般會(huì)顯著降低。尋找高溫超導(dǎo)新材料，探求高溫超導(dǎo)機(jī)理，是整個(gè)物理學(xué)界最關(guān)注的問(wèn)題之一，科學(xué)價(jià)值極大。

2008年，薛其坤帶隊(duì)利用異質(zhì)結(jié)界面，設(shè)計(jì)高溫超導(dǎo)體系。經(jīng)過(guò)持續(xù)攻關(guān)，2012年，薛其坤團(tuán)隊(duì)在鈦酸鍶襯底上外延生長(zhǎng)的單層硒化鐵薄膜中，發(fā)現(xiàn)了界面增強(qiáng)的高溫超導(dǎo)電性。這是1986年人類發(fā)現(xiàn)銅氧化物以來(lái)，在常壓下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高的超導(dǎo)體，也為解決高溫超導(dǎo)機(jī)理開(kāi)辟了全新途徑，引起國(guó)內(nèi)外大量追蹤研究。

為何能帶隊(duì)屢獲重大科研突破？“作為團(tuán)隊(duì)帶頭人，要在戰(zhàn)略上做好規(guī)劃，選準(zhǔn)基礎(chǔ)研究的方向、重點(diǎn)?！毖ζ淅⒑Ａ块喿x、獨(dú)立思考、廣泛交流，作為科研人員提升判斷能力的訣竅。

“我們一線科研人員基本每天都要看最新的科學(xué)文獻(xiàn)等，我就要求學(xué)生認(rèn)真翻閱文獻(xiàn)，看完之后不但要理解作者做了什么、得到了什么結(jié)果，還要反復(fù)思考，給自己多提幾個(gè)問(wèn)題，例如這篇文獻(xiàn)給我最大的啟示是什么？”在薛其坤看來(lái)，看一篇文獻(xiàn)可能只需兩小時(shí)，但可能要花兩三天才能問(wèn)出一個(gè)好問(wèn)題。這有利于引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，有效提高科研判斷能力。

通過(guò)讓學(xué)生做月度工作報(bào)告、課題進(jìn)展報(bào)告等，薛其坤經(jīng)常引導(dǎo)學(xué)生從分析數(shù)據(jù)等日常實(shí)驗(yàn)中跳出來(lái)，從更高遠(yuǎn)的角度，去深入思考所攻關(guān)的科學(xué)問(wèn)題。

將培養(yǎng)的人才作為最重要的科研成果

薛其坤曾把自己比為一條從沂蒙山區(qū)駛出的小船，“父母給了小船生命。小船有毛病了，導(dǎo)師幫他修修；方向不對(duì)了，導(dǎo)師給指導(dǎo)指導(dǎo)。我的學(xué)生賦予了小船更青春的生命……”

三位導(dǎo)師對(duì)薛其坤影響很大。讀研時(shí)，中國(guó)導(dǎo)師陸華教授教會(huì)他遵循基本規(guī)則；留學(xué)時(shí)，日本導(dǎo)師櫻井利夫教會(huì)他精益求精，美國(guó)導(dǎo)師David Aspnes引導(dǎo)他提升科學(xué)判斷力。

當(dāng)成為師者，薛其坤非?？粗貙W(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和與人溝通的能力。在教導(dǎo)學(xué)生時(shí)，他多次強(qiáng)調(diào)，“要勤奮、認(rèn)真、團(tuán)結(jié)”。

“薛老師常說(shuō)，單打獨(dú)斗難以完成重大科學(xué)問(wèn)題，需要不同技術(shù)、領(lǐng)域的人合作，這樣研究成功的可能性就會(huì)更大。他就特別擅長(zhǎng)把大家擰成一股繩?！瘪T硝也努力將薛其坤的教導(dǎo)，傳遞給自己的研究生們。

薛其坤培養(yǎng)了120多名博士生、博士后，并帶著他們一起追求極致。他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)成員或培養(yǎng)的學(xué)生中，已有一人入選中國(guó)科學(xué)院院士，30余人次入選國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃。薛其坤常把這視作他個(gè)人最成功的一點(diǎn)。

而科教融匯幫薛其坤及其學(xué)生練就了較強(qiáng)的科研能力。薛其坤認(rèn)為，研究型大學(xué)也應(yīng)加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)研究，并發(fā)揮好自身“五育”并舉的強(qiáng)項(xiàng)，培育更多創(chuàng)新人才。

薛其坤領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)了低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，這是清華大學(xué)理科第一個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。擔(dān)任南科大校長(zhǎng)后，他提出一流新型研究型大學(xué)發(fā)展的“三三五”方略，帶領(lǐng)學(xué)校成功入選“雙一流”。

“新型研究型大學(xué)最基本的特點(diǎn)，就是將科學(xué)研究和課堂教學(xué)融為一體。”薛其坤表示，南科大全力構(gòu)建科研能力突出的教師團(tuán)隊(duì)，強(qiáng)化科教融匯，力求為國(guó)家高水平科技自立自強(qiáng)培育更多拔尖創(chuàng)新人才。

發(fā)掘和培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才是項(xiàng)系統(tǒng)工程，高等教育難以獨(dú)立完成。“如果很多中小學(xué)校還將分?jǐn)?shù)作為培養(yǎng)、評(píng)判人才的唯一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)試教育的學(xué)科培訓(xùn)、學(xué)科競(jìng)賽等仍大行其道，就會(huì)扼殺很多好苗子?！毖ζ淅?qiáng)調(diào)，沒(méi)有高質(zhì)輕負(fù)的基礎(chǔ)教育，就難以營(yíng)造好拔尖創(chuàng)新人才紛紛破土而出的生態(tài)。

薛其坤通過(guò)開(kāi)講座、擔(dān)任榮譽(yù)班主任等方式，參與“高中—高校貫通式人才培養(yǎng)模式”，并呼吁更多學(xué)校開(kāi)展類似探索，“中小學(xué)校、幼兒園要在孩子們心中播下熱愛(ài)科學(xué)的種子，守護(hù)好孩子們靈動(dòng)的天性、好奇的眼睛、創(chuàng)新的熱情和求知的初心”。

薛其坤最喜歡杜甫的《望岳》，他時(shí)常用這首詩(shī)勉勵(lì)自己和學(xué)生，“如果用‘蕩胸生曾云’的胸懷與境界去做科學(xué)研究，用‘決眥入歸鳥(niǎo)’的專注和洞察力抓住事物本質(zhì)，付出艱苦的努力和奮斗，總有一天你會(huì)登上更高的科學(xué)高峰，‘會(huì)當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小’”。

《中國(guó)教育報(bào)》2024年06月25日第3版